Сын художника.
В 1862 окончил Рочестерский университет.
С 1868 года — полевой геолог Геологической службы штата Огайо; с 1871 г. — полевой, а с 1872 г. — главный геолог службы Джорджа Уилера. Исследовал ледниковые морены и долины Моми в бассейне озера Эри.Провёл геоморфологические исследования Западных регионов США, за что в 1872 получил степень магистра.
С момента создания Геологической службы США в 1879 году работал там и в составе экспедиции Джона Уэсли Пауэлла проводил геологическую съёмку Скалистых гор, став главным помощником Пауэлла и остался им до 1879 года.
В этот период времени он опубликовал важную монографию о горах Генри — «Geology of the Henry Mountains» (1877—1880).Одним из первых исследовал связь рельефа поверхности с геологическим строением Земли.
В 1884 году был назначен руководителем Аппалачского отделения, а с 1889 по 1892 год — главным геологом Геологической службы США.
В 1899 г. принял участие в экспедиции Гарримана на Аляску из Сиэтла в Сибирь и обратно.Г. К. Гилберт — автор правительственных отчётов: Геология гор Генри (Geology of the Henry Mountains, 1877—1880);Озеро Боннвил (Lake Bonneville, 1890) и др.Внёс фундаментальный вклад в методы горного строительства, историю озера Бонневилль, ледниковую геологию Великих озёр и Аляски, гидравлической добычи в Калифорнии.Дважды был президентом Геологической службы США (1892, 1909). Член Американской академии искусств и наук (с 1893).
С 1907 года — член-корреспондент Баварской академии наук. Иностранный члены Лондонского королевского общества. Один из создателей Американской ассоциации географов.
В 1899 году был избран президентом Американской ассоциации содействия развитию науки.
В 1900 году награждён Медалью ВолластонаВ его честь назван лунный кратер Гилберт.
С 1983 года Геологическое общество Америки присуждает премию его имени[en] за достижения в области планетарной геологии.